a Với nhóm tải trọng thường xuyên gồm có: áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm và áp lực kẽ rỗng của nước, phản áp lực ở các mặt cắt tính toán và các khớp thi công trong các kết cấu bêtông và
Trang 1Chương 3 tải trọng và tác động
Biên soạn: GS TSKH Trịnh Trọng Hàn
3.1 Tổng quát về tải trọng, tác động và những tổ hợp của chúng
Khi thiết kế các kết cấu xây dựng hoặc nền móng các công trình xây dựng nói chung và công trình thủy nói riêng người ta phân biệt thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời
Tải trọng thường xuyên (tiêu chuẩn hoặc tính toán) là tải trọng tác động liên tục
trong suốt thời kỳ xây dựng và sử dụng công trình
Tải trọng tạm thời là tải trọng có thể không xuất hiện ở một thời điểm hoặc thời
kỳ nào đó trong quá trình xây dựng và sử dụng công trình
Đối với các công trình thủy lợi trên sông thì ngoài các tải trọng và tác động được
sử dụng để tính cho các kết cấu thông thường cần phải kể đến những tải trọng và tác
động dưới đây
a) Với nhóm tải trọng thường xuyên gồm có: áp lực thủy tĩnh, áp lực thấm và áp
lực kẽ rỗng của nước, phản áp lực ở các mặt cắt tính toán và các khớp thi công trong các kết cấu bêtông và bêtông cốt thép ứng với trạng thái mực nước dâng thường và điều kiện làm việc bình thường của kết cấu chống thấm và kết cấu thoát nước, trọng lượng của các thiết bị công nghệ có vị trí đặt lên công trình không thay đổi trong thời gian vận hành (như các tổ máy thủy lực, các máy phát, máy biến áp v.v )
b) Với nhóm tải trọng tạm thời nhưng có thời gian tác động tương đối dài gồm có:
áp lực bổ sung của đất (ngoài phần áp lực cơ bản) xuất hiện do sự biến dạng của nền và các kết cấu hoặc do tác động nhiệt (khi thay đổi nhiệt độ), áp lực bùn cát lắng đọng
c) Với nhóm tải trọng tạm thời ngắn hạn (thời gian tác động rất ngắn) gồm có:
tải trọng của tàu thuyền (cập bến hay va chạm), tải trọng của băng, tải trọng sóng, tải trọng khi bốc dỡ hay vận chuyển do các thiết bị nâng chuyển làm việc gây ra, tải trọng
từ các vật trôi nổi; áp lực nước va trong giai đoạn vận hành bình thường, tải trọng do mạch động trong các đường dẫn không áp và có áp
d) Với nhóm tải trọng đặc biệt gồm có: áp lực thủy tĩnh và lực trong các mặt cắt
tính toán và các khớp nối ở các kết cấu bêtông và bêtông cốt thép khi xuất hiện mực nước gia cường hoặc do tác động nhiệt ẩm, tải trọng bổ sung của áp lực thấm xuất hiện
do hậu quả các kết cấu chống thấm hay kết cấu thoát nước bị hư hỏng, tải trọng do nước
va khi xả hoàn toàn, áp lực băng khi băng tan vỡ hoặc tháo nước vào mùa đông ở vùng khí hậu băng giá
Trang 2Tổ hợp tải trọng: Trong tính toán các công trình thủy được phân biệt thành tổ hợp
tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặt biệt Đặc trưng cho các tổ hợp tải trọng là các hệ
số an toàn tối thiểu có giá trị phụ thuộc vào cấp của công trình
Tổ hợp tải trọng cơ bản: Bao gồm các tải trọng thường xuyên và các tải trọng tác
động không thường xuyên (gồm tải trọng có thời gian tác động khá dài -Tải trọng tạm thời dài hạn và tải trọng có thời gian tác động tức thời - Tải trọng tạm thời ngắn hạn)
Tổ hợp tải trọng đặc biệt: Gồm nhóm tải trọng thường xuyên, nhóm tải trọng tạm
thời dài hạn, một số tải trọng tạm thời ngắn hạn có thể xảy ra và một trong số các tải trọng đặt biệt (chi tiết xem TCXDVN 285-2002 và TCVN 2737-1995)
Khi tính toán cần lấy các tải trọng và tác động có tính bất lợi nhưng có khả năng xảy ra và xét riêng đối với trường hợp thi công và thời kỳ vận hành công trình
Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất được thực hiện với tải trọng tính toán Tải trọng tính toán bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải n (bảng 3-1) Tải trọng tiêu chuẩn được nêu trong tiêu chuẩn khảo sát thiết kế quy định riêng biệt cho mỗi loại công trình, kết cấu và nền của chúng
- Trọng lượng toàn bộ lớp đất, đá trên đường hầm hoặc trọng lượng vùng bị
- áp lực nước trực tiếp lên bề mặt công trình và nền, áp lực nước đẩy ngược
Trang 3Tên các tải trọng và tác động Hệ số lệch tải (n)
- Tải trọng thẳng đứng và nằm ngang của máy nâng, bốc dỡ, vận chuyển
3 Chỉ sử dụng các hệ số vượt tải ghi trong ngoặc đơn khi kết quả tính toán thể hiện công trình ở trong tình trạng bất lợi hơn.
Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai cho công trình, kết cấu và nền được thực hiện với hệ số lệch tải (n), hệ số sai lệch về vật liệu nvl và đất nđ đều lấy bằng 1,00 trừ các trường hợp được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn khảo sát thiết kế chuyên ngành Khi thiết kế công trình thủy phải tính toán theo tổ hợp tải trọng cơ bản và kiểm tra theo tổ hợp tải trọng đặc biệt
3.2 Trọng l-ợng bản thân của công trình
Trọng lượng công trình cũng như các phương tiện và thiết bị đặt trong đó được xác định theo kích thước lấy từ bản vẽ thiết kế và dung trọng của vật liệu xây dựng Trong một số trường hợp để tính toán sơ bộ có thể sử dụng các công thức thực nghiệm,
ví dụ khi xác định trọng lượng của van
Dung trọng của bê tông và các kết cấu đá xây trong công trình được giữ ổn định bằng trọng lượng bản thân của chúng được xác định bằng thí nghiệm với độ chính xác tới 0,005 T/m3
ở những giai đoạn thiết kế khác nhau, dung trọng bê tông có thể sơ bộ lấy 2,4 T/m3, của bê tông cốt thép lấy 2,5 T/m3
Trang 43.3 áp lực thủy tĩnh và thủy động
áp lực thủy tĩnh của nước được xác định theo các công thức thủy lực Mật độ của nước được lấy bằng 1 T/m3 Khi có bùn cát lơ lửng trong nước thì mật độ nước được lấy bằng 1 á 1,1 T/m3 và lớn hơn tuỳ thuộc vào hàm lượng bùn cát
áp lực thủy động tác dụng lên công trình phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của nước, điều kiện chảy bao, diện tích bề mặt chắn nước của vật và góc tạo bởi phương chuyển động của các tia dòng với mặt phẳng chịu tác động và của các tia dòng Ví dụ
áp lực thủy động tác dụng lên trụ pin hay mố tiêu năng được xác định theo công thức:
Cđ - hệ số cản, phụ thuộc hình dạng chảy bao của vật;
W - diện tích hình chiếu của vật lên mặt phẳng vuông góc với phương dòng chảy;
r - mật độ của nước (hay chất lỏng chuyển động);
v - vận tốc trung bình của dòng chảy
áp lực thủy động lên bản chắn của cửa van mở một phần, lên phần đuôi của công trình xả sâu (hình 3-1a), lên sân tiêu năng (hình 3-1b) hoặc đoạn thành ống có áp (hình 3-1c) được xác định theo biểu đồ áp lực lên các bộ phận kết cấu tương ứng như trên hình 3-1 a, b, c
Hình 3-1 Biểu đồ thành phần áp lực thủy động lên các kết cấu
của công trình thủy lợi
P- áp lực tổng cộng; Pđ- áp lực thủy động;
h- chiều sâu dòng chảy
áp lực thủy động gây ra bởi hiện tượng mạch động của vận tốc dòng chảy được xác định bằng thực nghiệm hoặc được đánh giá theo các công thức thực nghiệm
Trang 53.4 Lực tác dụng của dòng thấm lên đập bê tông
và bê tông cốt thép
Khi thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép việc tính toán thấm được thực hiện để xác định phản áp lực thấm của nước lên đáy công trình, xác định građian trung bình và cục bộ của dòng thấm, vị trí mặt b∙o hoà ở vùng tiếp giáp với bờ, tổn thất nước thấm từ hồ chứa và các tham số làm việc của các kết cấu chống thấm và vật thoát nước thấm
Việc tính toán dòng thấm ổn định dưới công trình được thực hiện theo mực nước cho trước ở thượng và hạ lưu công trình, trong đó chấp nhận chuyển động thấm theo qui luật tuyến tính
Tính toán thấm không ổn định được tiến hành trong trường hợp nếu dòng thấm là không áp với sự biến đổi nhanh về mực nước ở thượng hạ lưu công trình
Để xác định các tham số đặc trưng của dòng thấm khi tính toán các đập cấp
I - III cần sử dụng phương pháp tương tự điện thủy động lực (EGĐA) và các phương pháp mô hình tương tự và mô hình số, trong đó đối với vùng lòng sông của đập cần xét bài toán hai chiều đứng, còn với vùng tiếp giáp bờ - xét bài toán không gian hoặc bài toán hai chiều trên bình diện và hai chiều mặt đứng theo các đường dòng
Đối với đập cấp IV và khi tính sơ bộ cho đập cấp I - III trên nền đồng chất có thể
sử dụng các phương pháp giải tích gần đúng
Nếu nền là đồng chất nhưng dị hướng, khi giá trị tới hạn của hệ số thấm có thể xảy ra cả theo phương đứng và phương ngang, thì qui ước xem xét bài toán theo sơ đồ biến đổi của công trình đặt trên nền đồng chất đẳng hướng bằng cách nhân các kích thước thực tế theo phương ngang của đường viền thấm với hệ số qui đổi a:
trong đó: Kđ và Kn tương ứng là hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang
Sử dụng các phương pháp tính toán nêu ở trên đối với trường hợp nền đồng chất
đẳng hướng, tiến hành xác định cột nước ở các điểm khác nhau trong nền theo sơ đồ biến đổi Các giá trị cột nước tính được sau khi chia cho hệ số biến đổi a sẽ là các đại lượng tương ứng cho sơ đồ làm việc thực tế của công trình Theo các giá trị này có thể xác định phản áp lực cũng như các yếu tố cần thiết của dòng thấm
Trong trường hợp nền gồm hai lớp với hệ số thấm K2 < 0,01 K1, thì lớp nền nằm dưới có hệ số thấm K2 được xem là tầng lót không thấm
Đối với nền không đồng chất gồm nhiều lớp mỏng xen kẽ nhau có hệ số thấm tương ứng rất nhỏ và rất lớn, thì cấu tạo nền thực tế được thay thế bằng nền đồng chất
dị hướng với hệ số thấm theo phương đứng và phương ngang xác định theo các công thức sau:
Trang 6( 1 2) 1 2
đ
t t K KK
t1 và t2 - độ dày tương ứng của lớp đất có hệ số thấm nhỏ và hệ số thấm lớn;
K1 và K2 - hệ số thấm tương ứng của lớp đất có độ thấm nhỏ và lớn
Sau khi biến đổi, việc tính toán thấm được thực hiện như đối với nền đồng chất
dị hướng
Trường hợp nền có cấu tạo địa chất phức tạp ở phạm vi gọi là vùng thấm hoạt
động không thể qui đổi về sơ đồ đơn giản như nêu ở trên thì tính toán thấm theo phương pháp tương tự EGĐA
Tác động lực của dòng thấm trong thân đập và nền được xét đến tuỳ thuộc vào cấp của đập và vật liệu đập như sau:
a) Đối với đập bêtông và bêtông cốt thép thuộc cấp III và IV, còn khi tính toán sơ
bộ - được áp dụng cho mọi cấp của đập - dưới dạng các lực bề mặt theo vùng tiếp xúc của đập với nền (xem hình 3-1);
b) Đối với đập bê tông cốt thép cấp I và II và đập bêtông cấp II - dưới dạng các lực bề mặt theo vùng tiếp xúc đập với nền và gia tải lên nền ở phía thượng và hạ lưu hoặc dưới dạng các lực thể tích tác động trong nền công trình (xem hình 3-1);
c) Đối với đập bê tông cấp I trên nền đá - dưới dạng các lực bề mặt tác dụng lên nền ở thượng và hạ lưu đập (gia tải) và lên mặt chịu áp của đập hoặc dưới dạng các lực thấm thể tích tác dụng trong thân đập tính đến đường thoát nước thấm và trong nền đập
Lực bề mặt theo vùng tiếp xúc đáy đập với nền (áp lực ngược toàn phần của nước lên đáy công trình) Ptp được xác định theo công thức:
trong đó:
Pt - áp lực thấm ở các vùng khác nhau của đường viền thấm;
Pđn - áp lực đẩy nổi có kể đến độ dốc và độ cắm sâu của đế và chân răng đập vào trong nền;
a - hệ số diện tích tác dụng hiệu quả của áp lực ngược
Trang 7Hình 3-2 Biểu đồ áp lực nước ở vùng đập tiếp xúc với nền đá khi có
màn chống thấm và thiết bị thoát nước thấm
a) Đập bê tông trọng lực; b) Đập bản tựa trọng lực; c) Đập vòm
1- hành lang khoan phun xi măng; 2- hành lang thoát nước thấm;
3- giếng thoát nước thẳng đứng; 4- màn chống thấm bằng vữa xi măng;
5- mặt tiếp xúc bê tông với nền đá; 6- khoảng hở trong thân đập;
Pđn- áp lực đẩy nổi; Pt- áp lực thấm; H- cột nước ở phía thượng lưu;
h- cột nước ở phía hạ lưu; Hp- cột nước tính toán;
h3- cột nước còn dư của dòng thấm theo trục màn phun xi măng;
ht- cột nước dư của dòng thấm theo trục giếng thoát nước;
B- bề rộng đáy đập; Hđ - chiều cao đập
Hình 3-3 Sơ đồ tác dụng của lực dòng
thấm trong nền đập
1- lực thấm đơn vị; 2- màn ximăng;
3- gia tải lên nền từ phía thượng lưu;
4- gia tải lên nền từ phía hạ lưu;
Trang 8Đối với đập cấp III; IV và khi tính sơ bộ cho đập mọi cấp trên nền đá, giá trị Ptp có thể xác định theo hình 3-2, trong đó đại lượng Pđn được xác định theo biểu đồ hình chữ nhật tương ứng với độ sâu nước ở hạ lưu, còn áp lực thấm Pt dọc theo trục màn xi măng
h3 và dọc trục giếng thoát nước ht được xác định theo số liệu trong bảng 3-2
Bảng 3-2 Giá trị của các tung độ tương đối h 3 /H p và h t /H p của biểu đồ áp lực thấm
* Ghi chú: Chỉ trong trường hợp kết cấu chống thấm và kết cấu thoát nước làm việc không
bình thường ứng với mực nước dâng bình thường ở thượng lưu
Hệ số a được xác định bằng nghiên cứu và tính toán có xét đến các yếu tố sau: độ thấm nước của bê tông và đất nền, tốc độ tích nước ở hồ chứa, trạng thái ứng suất của
bê tông và đất nền, sự hiện diện của thiết bị chống thấm ở mặt chịu áp, ở các khớp nối của đập và ở lòng hồ Khi tính đại lượng Ptp ở vùng tiếp xúc đập với nền bằng đất cát và
đất hạt lớn kể cả nền bằng đất sét và nền đá nếu có luận cứ xác đáng thì lấy hệ số a = 1
3.5 Tác dụng của sóng (do gió)
3.5.1 Các thông số tính toán của sóng ở vùng mặt n-ớc thông thoáng
Những thông số này được xác định có kể đến tốc độ, hướng và thời gian kéo dài của tác động gió trên bề mặt nước, kích thước, hình dạng và chiều sâu nước của hồ chứa, trong đó cần xét sự dao động mực nước do gió gây ra và sự thay đổi mực nước do quá trình tích nước hoặc xả nước của hồ chứa Khi xác định các yếu tố của sóng do gió
ở hồ chứa người ta chia thành những vùng sau:
Vùng nước sâu (H > 0,5ls), trong đó đáy hồ không ảnh hưỏng đến các đặc trưng sóng;
Vùng nước nông (0,5ls> H > HK), trong đó đáy hồ có ảnh hưởng đến sự phát triển sóng và các đặc trưng của nó;
Vùng sóng đổ (HK > H > HK.II), nơi bắt đầu và kết thúc quá trình sóng đổ;
Trang 9Vùng sóng tiếp bờ (H < HK.II), nơi dòng chảy do sóng vỡ trườn lên mái bờ theo từng chu kỳ
ở đây: H - chiều sâu ở vùng xem xét ứng với mực nước tính toán; ls - chiều dài trung bình của sóng ở vùng nước sâu tính bằng mét (m); HK - chiều sâu nước phân giới ứng với sự bắt đầu quá trình sóng đổ, m; HK.II - chiều sâu phân giới ứng với sự kết thúc sóng đổ, m
Mực nước tính toán và đặc trưng của gió được xác định theo kết quả xử lý thống
kê nhiều năm (không ít hơn 25 năm) các tài liệu quan trắc về gió
Tần suất tính toán chiều cao sóng được lấy theo bảng 3-3
Bảng 3-3 Tần suất tính toán chiều cao sóng dùng để tính cường độ và độ ổn
định các công trình thủy và kết cấu của chúng
2 Khi chọn cao độ công trình thông thoáng xây dựng ở vùng mặt nước hở cho phép lấy tần suất tính toán của chiều cao sóng là 0,1% nếu có luận cứ xác
Khi chọn cao độ đỉnh và giới hạn gia cố phía dưới của mái dốc công trình thì lấy tần suất vận tốc gió lớn nhất tuỳ thuộc vào tần suất đ∙ cho của mực nước tính toán
Trang 10Vận tốc gió tính toán W được xác định ở độ cao 10m trên bề mặt nước Tài liệu
về vận tốc gió đo ở độ cao Z so với mặt nước được tính đổi theo công thức:
Các thông số sóng ở vùng nước sâu (H>0,5ls): Chiều cao sóng trung bình
s
h (m) và chu kỳ sóng trung bình t(giây) được xác định bằng đồ thị hình 3-4 theo trình
tự sau: theo giá trị đại lượng không thứ nguyên gt/w và gD/ w2 (g - gia tốc rơi tự do, m/s2; D - chiều dài đà gió, km) và theo đường bao trên của đường cong tìm giá trị
ghs/w2 và từ trị số nhỏ nhất tìm được, tính chiều cao sóng trung bình hs Tương tự như vậy tìm chu kỳ của sóng
Chiều dài trung bình của sóng ls(m) được xác định theo công thức:
Trang 11Việc tính đổi từ chiều cao sóng trung bình sang chiều cao sóng tần suất i% được thực hiện bằng cách nhân l s với hệ số ki xác định từ đồ thị hình 3-5a, phụ thuộc vào
đại lượng không thứ nguyên gD/w2
Hình 3-4 Đồ thị xác định các yếu tố sóng gió ở vùng nước sâu và vùng nước nông
Độ vượt cao của đỉnh sóng trên mực nước tính toán hs(m) được xác định theo đồ thị hình 3-5b khi H/l = 0,5 tuỳ thuộc vào đại lượng hi/(gt2)
Hình 3-5a Đồ thị xác định hệ số k i Hình 3-5b Đồ thị xác định h/h i
Trang 12Trong trường hợp bờ hồ có hình dạng phức tạp thì các đại lượng hs, t, ls cần
được tính theo chỉ dẫn riêng của quy phạm thiết kế
Yếu tố sóng ở vùng nước nông (0,5ls > H > Hk): Chúng được xác định theo các giá trị trung bình đ∙ biết là hs, t và ls đối với vùng nước sâu Tuỳ thuộc vào độ dốc của đáy hồ người ta phân biệt hai trường hợp: 1- độ dốc đáy không nhỏ hơn 0,002; 2- độ dốc đáy không lớn hơn 0,001
Chiều cao sóng tần suất i% khi độ dốc đáy không nhỏ hơn 0,002 được xác định theo công thức:
Trong đó:
kb - hệ số biến đổi, lấy theo đường cong 1 trên đồ thị hình 3-6 tuỳ thuộc vào đại lượng H/ls;
kk - hệ số khúc xạ của sóng, lấy theo quy phạm (ví dụ: CHuP II - 57 - 82);
kt - hệ số tổn thất phụ thuộc độ dốc đáy và chiều sâu tương đối H/l(bảng 3-4); với độ dốc 0,03 và lớn hơn kt= 1;
ki - hệ số suất đảm bảo của chiều cao sóng
Bảng 3-4 Giá trị của hệ số tổn thất tổng quát k t
Giá trị k t ứng với độ dốc đáy hồ
Trang 13Độ vượt cao hs của đỉnh sóng trên mực nước tính toán được xác định theo đồ thị hình 3-5a ứng với đại lượng H/lsvà hi/(gt2) đ∙ biết
Các yếu tố sóng di chuyển từ vùng nước nông có độ dốc đáy 0,001 và nhỏ hơn sang vùng có độ dốc 0,002 và lớn hơn được xác định tương tự như trường hợp độ dốc
đáy không nhỏ hơn 0,002 ứng với chiều cao sóng trung bình đ∙ biết h =hs
Trong vùng nước nông có độ dốc đáy không lớn hơn 0,001 thì chiều cao trung bình và chu kỳ trung bình của sóng được xác định theo đồ thị hình 3-3 Các đại lượng
h và t được tính theo các giá trị gh / w2 và g / wt , trong đó các đại lượng này tìm theo đồ thị phụ thuộc vào đại lượng gD/w2 và gH/w2
Chiều dài trung bình của sóng l được xác định như đối với vùng nước sâu theo công thức (3.7)
Chiều cao sóng tần suất i% là hi được xác định bằng cách nhân giá trị h với trị số
nhỏ nhất của hệ số ki lấy theo đồ thị trên hình 3-4 tuỳ thuộc vào đại lượng gH/w2
và gD/w2
Độ vượt cao hs của đỉnh sóng trên mực nước tính toán được xác định theo đồ thị hình 3-5 ứng với độ cao sóng hi đ∙ biết
Yếu tố sóng ở vùng sóng đổ: Chiều cao sóng ở vùng sóng đổ được xác định dựa
theo các đường cong 2 - 4 trên đồ thị hình 3-6 ứng với độ dốc đáy đ∙ biết: theo đại lượng không thứ nguyên H/ls tìm giá trị hđ1%/(gt ) và tính h2 đ1%
Trang 14Chiều dài sóng ở vùng sóng đổ lđ có thể xác định theo đường bao trên của đồ thị hình 3-7, còn độ vượt cao h của đỉnh sóng trên mực nước tính toán có thể tìm theo
đường bao trên của đồ thị hình 3-5
Chiều sâu phân giới Hk ứng với con sóng đổ đầu tiên không kể tới hiện tượng khúc xạ có thể được xác định theo các đường cong 2 - 4 của đồ thị hình 3-6 ứng với độ dốc đáy đ∙ biết: theo đại lượng hi/(gt2) tìm giá trị Hk/ls và tính Hk
Giá trị Hk có kể đến khúc xạ của sóng được xác định bằng phương pháp gần đúng dần như sau Tự cho một số giá trị H, tính các đại lượng hi/(gt2) như đối với vùng nước nông khi độ dốc đáy không nhỏ hơn 0,002 và sử dụng các đường cong 2 - 4 của đồ thị hình 3-6 tìm các giá trị tương ứng Hk/(ls)
Độ sâu phân giới sẽ là đại lượng có trị số bằng một trong các giá trị h tìm được
Để tính các thông số sóng gió trên vùng hồ chứa nước nội địa, trong thực tế thiết
kế người ta sử dụng khá phổ biến phương pháp N.A Lápdốpxki Theo tác giả, chiều cao sóng tần suất 2% và chiều dài sóng tần suất 50% được tính theo các công thức:
Trang 15Giá trị tới hạn của đà gió D không được lớn hơn:
Để tham khảo, dưới đây giới thiệu một số công thức tính toán các thông số sóng
được áp dụng ở Trung Quốc và các nước phương tây
